多层热防护服的温度分布与最优厚度研究

张品戈 于泳博 兰天然

摘  要：研究高温环境下专用服装材料对于相关产品的研发具有重要意义。基于此，该文对多层热防护服的温度分布与最优厚度进行了研究。主要根据服装织物层—空气层—皮肤系统内的热力学规律，建立一维热传导考察温度分布，并进一步根据模型求得特定情况的最优厚度，从而得到了在第II层的最佳厚度为11.5mm，第IV层厚度为5.3mm时可以在使隔热服最轻薄的情况下满足设计要求，可以作为实际问题参考。

关键词：热防护服  温度分布  最优厚度  遗传算法

中图分类号：TB35    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）06（a）-0067-02

在高温环境下工作时，人们需要穿着专用服装以避免灼伤[1]。热防护服是对在高温或超高温条件下工作的人员进行安全保护，从而避免热源对人体造成伤害的各种保护性服装，具有阻燃性、拒液性、燃烧时无熔滴产生、遇热时能够保持服装的完整性和穿着舒适性等特性[2]。热防护服可以用于石油、化工、冶金、造船、消防、国防以及有明火、散发火花、熔融金属和有易燃物质的场所，所以，研究高温环境下专用服装材料对于相关产品的研发具有重要意义[3]。

1  温度分布

通过观察数据，发现在1645s之后直至结束，温度均稳定在48.08℃。同时我们利用Excel绘制了散点图（见图1），观察发现若用函数进行拟合很有可能为分段函数形式，且第一段类似于对数函数、三次函数或幂函数，第二段类似于常数函数。

该专用服装包含3层，最内层与人体之间还存在一层空气空隙。基于假设，我们认为热沿垂直于皮肤方向传递，即最终的温度分布是温度仅对时间t、距离x的函数关系。

热传递包含热传导、热对流与热辐射。热传导主要存在于固体传热中，热对流存在于流体传热中，而热辐射是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。空气层传热方式比较复杂，当空气层厚度小于6.4mm时， 传热方式为传导与辐射，反之空气发生自然对流。材料第IV层即空气层厚度为0.6～6.4mm，基于此，我们对空气层建立微分方程，利用有限元法建立的材料—空气层—皮肤系统的微分方程如下：

其中，显热容CA和热传导率k都与温度T有关，此处引进显热容法来描述各层材料的比热变化，显热容的计算公式为：

由（1）（2）可得如下方程：

将其视为一维无内热源热传导方程。根据假设，在一维坐标x与时间t中，密度ρ传导率k和比热cρ都为定值，因此取热扩散系数α：

由于众多约束条件不易于求解，所以考虑在求解过程中对边界条件进行改良。对求解过程进行简化，将皮肤表层温度代入作为右边界条件。经过程序调试，发现模拟结果与实验数据之间误差缩小至0.1，验证简化模型成功。

我们利用Matlab进行编程求解，得到图2温度分布图。

2  遗传算法

遗传算法是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。

遗传算法从一组随机产生的初始解开始搜索过程。种群中的每个个体都是问题的一个解，称为染色体。染色体是一串符号，比如一个二进制字符串。这些染色体在后续迭代的下一代染色体，稱为后代。后代是由前一代染色体通过交叉或者变异运算形成的。新一代形成中，根据适值的大小选择部分后代，淘汰部分后代后，算法收敛与最好的染色体，它很可能就是最优解或次优解同。

在求解最优厚度问题上我们要考虑到以下几方面。

（1）恒定热导率下，材料越厚，热阻越大。

（2）过厚的材料影响人们行动且耗费更多的原料费。

为了尽量轻便省料，并且满足约束条件，我们设定最优厚度为材料厚度的最小值。在计算过程中，通过8次遗传算法的迭代，我们可以得到一个最优厚度为9.2mm。

3  结语

该部分研究在环境温度为80℃时，确定II层和IV层的最优厚度，确保工作30min时， 假人皮肤外侧温度不超过47℃且超过44℃的时间不超过5min。我们仍然采用相同的方法，并且将未知变量改为两个，同时改变约束条件，使其符合设计要求。增加限制条件：（1）时间为1800s;（2）第I层厚度为0.6mm，第III层厚度为3.6mm;（3）温度为80℃。

将这些数据输入进遗传算法的Matlab程序中，我们通过多次试验，去寻找最佳的优化结果，从而得到了在第II层的最佳厚度为11.5mm，第IV层厚度为5.3mm使可以在使隔热服最轻薄的情况下满足设计所需的条件。

参考文献

[1] 卢琳珍，徐定华，徐映红.应用三层热防护服热传递改进模型的皮肤烧伤度预测[J].纺织学报，2018（1）：25-28.

[2] 张文远，朱家明，张云蔚.基于热传导机理的高温作业专用服装优化研究[J].辽宁工业大学学报：自然科学版，2019（2）：56-58.

[3] 罗鑫锦.利用MATLAB设计并预测高温作业专业服装的最优厚度[J].通信电源技术，2019（1）：78.